Water Management and Rainwater Harvesting Potential at Eco Moyo, Kenya

Abstract

Hovedmålet med forskningen var å forbedre resiliens mot tørke og erosjon ved Eco Moyo gjennom håndtering av regnvann. Eco Moyo er en barneskole i rurale Kilifi, Kenya. Skolen har tre vannkilder: (1) vann levert av Kilifi kommune gjennom et ledningsnett, (2) oppsamlet regnvann med en lagringskapasitet på 68 m3, og (3) en brønn i bunnen av eiendommen. Ingen av de tre kildene sørger for pålitelig vannforsyning med god vannkvalitet. Hovedbekymringen er at kommunen ikke klarer å levere vann gjennom ledningsnettet i tørketider. På det meste har Eco Moyo opplevd en periode på 10 dager mellom leveransene. En pålitelig vannforsyning er avgjørende for å sikre daglige aktiviteter og for å oppfylle skolens utviklingsmål. Det anses derfor som viktig å undersøke potensialet for å forbedre vanntilgjengeligheten gjennom forvaltning av lokale regnvannsressurser.

Selv om tilgang til trygt vann er definert som en menneskerettighet gjennom FNs bærekraftsmål 6, sliter Kenya med alvorlig vannmangel. Dette antas å skyldes økonomiske og tekniske begrensninger, og ikke potensielle vannressurser. Integrert vannressursforvaltning ble introdusert i Kenya i 1999, og mange formelle og lokale institusjoner har vært involvert i vannforvaltning siden. Til tross for dette har effektiviteten av vannbruken vært synkende. Kystregioner som Kilifi er spesielt sårbare for dårlig vannbrukseffektivitet på grunn av overabstraksjon og forringelse av vannressurser. Regnvannshåndtering anses således å ha et stort potensial for å forbedre vanntilgjengeligheten i regionen.

Selv om hovedutfordringen er vannmangel, ble det argumentert for at tilgjengelig vann skulle dekke et middels høyt behov for å regnes som resilient. Skolens ansatte hadde ikke nødvendig kunnskap til å gi brukbare data om vannfordelingen ved skolen, og det ble besluttet å fokusere på å estimere totalbehovet. Tre tilnærminger ble brukt: (1) skolens strategiske plan fra 2020, (2) litteraturgjennomgang og (3) observasjoner i felt. Både den strategiske planen og observasjonene i felt var preget av usikkerhet, og det ble hevdet at litteraturgjennomgang var det mest representative anslaget. Skolenes ukebehov ble dermed beregnet til 45 m3. For å sikre resiliens mot tørke, ble det argumentert for at Eco Moyo skulle kunne dekke en forsyning på 14 dager. Resiliensbehovet ble videre definert til 90 m3, mens totalbehovet ble beregnet til 180 m3 hver måned.

Potensialet for oppsamling av regnvann fra taket ble funnet med den våteste måneden i et tørt år som input. Potensielle tak for oppsamling ble definert som takene med nåværende regnvannstanker og de to nye bygningene på Eco Moyo. Når areal ble brukt som begrensende faktor, ble det funnet et samlet oppsamlingspotensial på 160.9 m3. Siden oppsamlingspotensialet var basert på nedbørsdata fra et tørt år, ble det hevdet at lagringskapasiteten for de forskjellige takene burde rundes opp til nærmeste fem. Avrunding av lagringskapasitet ble ansett for å forberede seg på potensielle endringer i nedbør, selv om klimaendringer ikke har blitt vurdert i dybden i forskningen. Som et resultat var den foreslåtte lagringskapasiteten til et nytt system 185 m3. Dette indikerer en potensiell forbedring på 117 m3 oppsamlet regnvann sammenlignet med dagens regnvannsoppsamlingssystem. Hvis det foreslåtte systemet for oppsamling av regnvann på takene implementeres, anslås det at Eco Moyo kan trekke ut 60 m3 månedlig i tørre år. Dette indikerer at det foreslåtte systemet kan forbedre resiliens ved Eco Moyo, men trenger flere takområder for å oppnå ønsket resiliens i et tørt år.

I kombinasjon med en parallell masteroppgave av Nybø og Hartnik (2022) ble potensialet for å fylle en underjordisk betongtank på 100 m3 med regnvann undersøkt. Det ble funnet at tanken ville kreve at svært store takarealer dersom den kun skulle fylles med regnvann. Hvis regnvann er den eneste innmatingen i tanken, vil det kreve et omfattende leveringssystem fra flere tak. Det vurderes som en mulighet å koble tanken til det rørlagte ledningsnettet, og dermed forbedre resiliens gjennom økte vannmengder levert fra Kilifi. Mindre tanker anses imidlertid som en potensielt bedre løsning, grunnet mindre takareal til hver tank, mindre krevende takrennesystemer og mindre konsekvenser ved svikt i en tank.

Som et håndteringstiltak for overflateavrenning ble det foreslått å grave grøfter langs konturen ved Eco Moyo. Ved å kombinere den rasjonelle formelen med infiltrasjonskapasitet, ble det funnet at grøfter langs bredden av Eco Moyo med en dybde varierende fra 0.4-1.6 meter ville forbedre infiltrasjon av overflateavrenningen og dermed redusere utfordringer med erosjon. Den hydrauliske ledningsevnen til jorda ble testet i felt ved bruk av et Modified Phillip-Dunne infiltrometer. Dimensjonerende nedbørintensitet ble funnet ved å lage en IDF-kurve. Det ble hevdet at en grøft langs bunnen av eiendommen kunne brukes som en teknikk for kunstig infiltrasjon, og potensielt forbedre vannkvaliteten i brønnen i bunnen av eiendommen.

Avslutningsvis anses Eco Moyo å ha et stort potensial for å forbedre vanntilgjengeligheten og redusere erosjon gjennom vannhåndtering. Implementeringen av nye regnvannshåndteringssystemer antas å være begrenset av økonomi og vedlikeholdsbehov. Det argumenteres for å fokusere på tiltak som gir størst mulig utbytte først. Før nye tiltak implementeres, burde det være tydelig definerte vedlikeholdsoppgaver for systemet.

The main objective of the research was to improve resilience to drought and erosion at Eco Moyo through management of rainwater. Eco Moyo is an elementary school in rural Kilifi County, Kenya. It has three water sources: (1) water delivered by Kilifi municipality through a piped network, (2) harvested rainwater with a storage capacity of 68 m3, and (3) a borehole at the bottom of the property. None of the three sources provide a reliable water supply of good water quality. The main concern is that the municipality fails to deliver water through the piped network in times of drought. At most, Eco Moyo has experienced a period of 10 days between deliveries. A reliable water supply is essential to ensure day-to-day activities and to meet the schools’ development goals. It is thus considered vital to examine the potential of improving water availability through the management of local rainwater resources.

Though access to safe water is defined as a human right through the UNs sustainable development goal 6, Kenya struggle with severe water scarcity. This is assumed to be due to financial and technical constraints, and not potential resources. Integrated water resource management was introduced in Kenya in 1999, and many formal and local institutions have been involved in water management since. Despite this, water use efficiency has been decreasing. Coastal regions like Kilifi are particularly vulnerable to poor water use efficiency due to over-abstraction and deterioration of water resources. Thus, rainwater management is considered to have a great potential of improving water availability in the region.

Though the main challenge is water scarcity, it was argued that a resilient supply should cover an intermediate demand. The school staff did not have the necessary knowledge to provide usable data of the water distribution at the school, and it was decided to focus on estimating the total demand. Three approaches were used: (1) the schools strategic plan from 2020, (2) literature review, and (3) observations in field. Both the strategic plan and the observations in field were distinguished by uncertainty, and it was argued that literature review was the most representable estimate. The schools weekly demand was thus estimated to be 45 m3. To ensure resilience to drought, it was argued that Eco Moyo should be able to cover a supply of 14 days. The resilience demand was further defined to be 90 m3, while the total demand was estimated to be 180 m3 every month.

The rooftop rainwater harvesting potential was found using the wettest month during a dry year as input. Potential rooftop areas were defined as the rooftops with current rainwater harvesting tanks and the two new buildings at Eco Moyo. When area was used as limiting factor, a total harvesting potential of 160.9 m3 was found. Since the harvesting potential was based on rainfall data from a dry year, it was argued that the storage capacities for the different roofs should be rounded up to the closest five. Rounding up storage capacities was considered to prepare for potential changes in rainfall, though climate change has not been considered in depth in the research. As a result, the suggested storage capacity of a new system was 185 m3. This indicates a potential improvement of 117 m3 of harvestable rainwater compared to the current rainwater harvesting system. If the suggested rooftop rainwater harvesting system is implemented, it is estimated that Eco Moyo sustainably can withdraw 60 m3 monthly in dry years. This indicates that the suggested system may improve the resilience at Eco Moyo but needs more rooftop areas to meet the resilience demand in a dry year.

In combination with a parallel master’s thesis by Nybø and Hartnik (2022), the potential for filling an underground concrete tank of 100 m3 with rainwater was investigated. It was found that the tank would require very large rooftop areas if it was to be filled solely with rainwater. If rainwater is the only input in the tank, it would require an extensive delivery system from multiple roofs. It is considered a possibility to connect the tank to the piped water network, and thus improve resilience through increased water quantities delivered from Kilifi. However, smaller tanks might be a better option due to reduced rooftop areas, easier gutter systems and reduced consequence of failure.

As a surface runoff management measure, it was suggested to dig trenches along the contour at Eco Moyo. By combining the rational formula with infiltration capacity, it was found that trenches along the width of Eco Moyo with a depth varying from 0.5-1.6 meters would improve infiltration of the surface runoff and thus reduce challenges with erosion. The hydraulic conductivity of the soil was tested in the field using a Modified Phillip-Dunne infiltrometer. Dimensioning precipitation intensity was found by creating an IDF curve. It was argued that a trench along the bottom of the property could be used as a managed aquifer recharge technique, potentially improving water quality in the borehole at the bottom of the property.

In conclusion, Eco Moyo is considered to have a great potential for improving water availability and reducing erosion through water management. The implementations of new rainwater management systems are assumed to be constrained by financial and management capacities. It is thus argued to implement measures benefiting most to begin with. Before implementation, clearly defined maintenance tasks should be provided.